(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気的および機械的エネルギーの間で変換する電気活性ポリマートランスデューサであって、
少なくとも２つの電極、および
予歪みされた部分を含み、前記予歪みされた部分における予歪みを維持するよう構成される剛性化された部分を含む前記少なくとも２つの電極と電気的連通にある電気活性ポリマー
を備え、
前記剛性化された部分は、前記予歪みされた部分を伸長することから生じる前記予歪みされた部分における弾性圧縮力に反対する力を提供するよう構成され、
前記電気活性ポリマートランスデューサは、前記予歪みされた部分において予歪みを維持するよう構成される外部フレームまたは外部メカニズムを含まないトランスデューサ。
【請求項２】
請求項１に記載のトランスデューサであって、前記電気活性ポリマーは、コンプライアンスを有する電気活性ポリマーフィルム、および前記コンプライアンスを有する電気活性ポリマーフィルム内またはその上に形成された支持ポリマーであって、前記剛性化されたポリマー部分を定義づける支持ポリマーを備えるトランスデューサ。
【請求項３】
請求項１に記載のトランスデューサであって、前記剛性化された部分は前記予歪みされた部分と周辺で境界をなすトランスデューサ。
【請求項４】
請求項１に記載のトランスデューサであって、前記電気活性ポリマーは、約４０ＭＰａ未満の弾性係数を備えるトランスデューサ。
【請求項５】
請求項４に記載のトランスデューサであって、前記電気活性ポリマーは、約１０ＭＰａ未満の弾性係数を備えるトランスデューサ。
【請求項６】
請求項１に記載のトランスデューサであって、前記剛性化されたポリマー部分は、約１０ＭＰａより大きい弾性係数を備えるトランスデューサ。
【請求項７】
請求項１に記載のトランスデューサであって、前記剛性化されたポリマー部分は、約５０ＭＰａより大きい弾性係数を備えるトランスデューサ。
【請求項８】
請求項１に記載のトランスデューサであって、前記予歪みされた部分は非等方性予歪みを含むトランスデューサ。
【請求項９】
請求項１に記載のトランスデューサであって、前記予歪みされた部分は弾性的に予歪みされているトランスデューサ。
【請求項１０】
請求項１に記載のトランスデューサであって、予歪みされた部分は、実質的に電気活性ポリマーの全体を含むトランスデューサ。
【請求項１１】
請求項１に記載のトランスデューサであって、前記剛性化された部分は、主方向によって特徴付けられる直線セグメントを備え、前記直線セグメントは、前記主方向において前記予歪みされた部分の撓みを低減するトランスデューサ。
【請求項１２】
電気活性ポリマーを形成する方法であって、
部分的に硬化された電気活性ポリマーを形成するために電気活性ポリマーのための前駆体から成る組成物を部分的に硬化させること、
前記電気活性ポリマーについての予歪みを実現するために前記部分的に硬化された電気活性ポリマーを伸長すること、および
前記電気活性ポリマーの一部を剛性化するために前記一部をさらに硬化させること
を含み、
前記剛性化された部分は、前記予歪みされた部分における弾性圧縮力に反対する力を提供するよう構成されるとともに、前記予歪みを少なくとも部分的に維持するための部分である、方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の方法であって、前記部分的に硬化させること、または前記さらに硬化させることは、熱的硬化を採用する方法。
【請求項１４】
請求項１２に記載の方法であって、前記剛性化された部分は、前記電気活性ポリマーの予歪みされた第２部分と境界をなし、前記剛性化された部分は前記予歪みされた第２部分についての予歪みを維持するよう構成される方法。
【請求項１５】
請求項１２に記載の方法であって、前記剛性化された部分は、約１０ＭＰａより大きい弾性係数を備えるようにさらに硬化される方法。
【請求項１６】
請求項１２に記載の方法であって、前記電気活性ポリマーをさらに硬化させることは、前記電気活性ポリマーを照射に曝露することを含む方法。
【請求項１７】
請求項１６に記載の方法であって、
前記電気活性ポリマーを照射に曝露することは、
前記一部の形状およびサイズを定義するマスクを前記電気活性ポリマーの表面に適用することをさらに含む方法。
【請求項１８】
請求項１７に記載の方法であって、
前記電気活性ポリマーを照射に曝露することは、
前記ポリマーの異なる部分が様々な程度に硬化および剛性化されることを可能とするマスクを適用することをさらに含む方法。
【請求項１９】
請求項１８に記載の方法であって、前記マスクは、前記電気活性ポリマーのエッジ部分への照射曝露の量を減らす方法。
【請求項２０】
請求項１２に記載の方法であって、前記一部をさらに硬化させることは、前記電気活性ポリマーにおいて、コンプライアンスを有する電気活性ポリマーフィルム、および前記コンプライアンスを有する電気活性ポリマーフィルム内またはその上に形成された支持ポリマーであって、前記剛性化された部分を、定義づける、方法。
【請求項２１】
請求項２０に記載の方法であって、前記支持ポリマーの硬化は前記一部を剛性化する方法。
【請求項２２】
請求項１２に記載の方法であって、前記部分的に硬化された電気活性ポリマーは、前記部分的に硬化された電気活性ポリマーを弾性的に伸長するのに適する機械的完全性を備える方法。
【請求項２３】
請求項１２に記載の方法であって、電気活性ポリマーは第２方向より第１方向において大きく伸長される方法。
【請求項２４】
請求項１２に記載の方法であって、前記電気活性ポリマーは、弾性予歪みを達成するために伸長される方法。
【請求項２５】
請求項１２に記載の方法であって、電極を前記電気活性ポリマーの表面に堆積することをさらに含む方法。
【請求項２６】
請求項２５に記載の方法であって、前記電極は前記ポリマー上にスプレーされる方法。
【請求項２７】
電気活性ポリマーを形成する方法であって、
ポリマー前駆体を電気活性ポリマーの一部の表面に塗布すること、
予歪みを実現するために前記電気活性ポリマーを伸長すること、および
前記一部を剛性化するために前記ポリマー前駆体を硬化すること
を含み、
前記剛性化された部分は、前記予歪みされた部分における弾性圧縮力に反対する力を提供するよう構成されるとともに、前記予歪みを少なくとも部分的に維持するための部分である、方法。
【請求項２８】
請求項２７に記載の方法であって、前記ポリマー前駆体は、前記電気活性ポリマーが予歪みされた後で、前記表面上に塗布される方法。
【請求項２９】
請求項２７に記載の方法であって、前記剛性化された部分は、硬化の後に前記剛性化された部分において前記予歪みを少なくとも部分的に維持する方法。
【請求項３０】
請求項２９に記載の方法であって、電極を前記予歪みされた部分上の前記表面に設けることをさらに含む方法。
【請求項３１】
請求項２７に記載の方法であって、前記剛性化された部分は、前記電気活性ポリマーの予歪みされた第２部分と境界をなす方法。
【請求項３２】
請求項３１に記載の方法であって、電極を前記予歪みされた第２部分の前記表面にさらに備える方法。
【請求項３３】
請求項２７に記載の方法であって、
前記電気活性ポリマーは、予歪みされる第１部分と、前記第１部分よりも小さく予歪みされる第２部分と、を備え、
前記方法は、前記ポリマー前駆体を前記電気活性ポリマーの第２部分上に塗布することをさらに含む方法。
【請求項３４】
請求項３３に記載の方法であって、前記第１部分よりも前記第２部分に前記ポリマー前駆体のより多い量が塗布される方法。
【請求項３５】
請求項２７に記載の方法であって、前記ポリマー前駆体を前記一部内に拡散させることをさらに含む方法。
【請求項３６】
請求項２７に記載の方法であって、前記ポリマー前駆体は、前記電気活性ポリマーの前記表面部分にスプレーされる方法。
【請求項３７】
請求項３６に記載の方法であって、
前記ポリマー前駆体を塗布することは、前記一部の形状およびサイズを定義するマスクを前記電気活性ポリマー表面に適用することをさらに備える方法。
【請求項３８】
請求項３７に記載の方法であって、前記予歪みを実現するために前記電気活性ポリマーを伸長することは、前記電気活性ポリマーを歪みが与えられた状態に保持するフレームを用いる方法。
【請求項３９】
請求項３８に記載の方法であって、硬化が完了した後で、前記電気活性ポリマーを前記フレームから解放することをさらに備える方法。
【請求項４０】
請求項２７に記載の方法であって、電気活性ポリマーは第２方向より第１方向において大きく伸長される方法。
【請求項４１】
請求項２７に記載の方法であって、前記電気活性ポリマーは、弾性予歪みを達成するために伸長される方法。
【請求項４２】
請求項２７に記載の方法であって、前記ポリマー前駆体を硬化させることは、前記一部を照射に曝露することを含む方法。
【請求項４３】
請求項４２に記載の方法であって、前記一部を照射に曝露することは、前記ポリマーの異なる部分が様々な程度に硬化および剛性化されることを可能とするマスクを適用することをさらに含む方法。
【請求項４４】
請求項２７に記載の方法であって、前記ポリマー前駆体が塗布される前記電気活性ポリマーのフィルムを形成することをさらに含む方法。
【請求項４５】
電気活性ポリマーを形成する方法であって、
電気活性ポリマーのための前駆体および支持ポリマーのための前駆体を備える混合物を提供すること、
前記混合物から前記電気活性ポリマーのフィルムを形成すること、
前記電気活性ポリマーの一部において予歪みを実現するために前記電気活性ポリマーを伸長すること、および
前記支持ポリマーが前記ポリマーの剛性化された部分中に前記支持ポリマーを形成するように、前記前駆体を硬化すること
を含み、
前記剛性化された部分は、前記予歪みされた部分における弾性圧縮力に反対する力を提供するよう構成されるとともに、前記予歪みを少なくとも部分的に維持するための部分である、方法。
【請求項４６】
請求項４５に記載の方法であって、前記剛性化された部分は、前記予歪みされた部分に重なる方法。
【請求項４７】
請求項４６に記載の方法であって、電極を前記予歪みされた部分上の表面に設けることをさらに含む方法。
【請求項４８】
請求項４５に記載の方法であって、前記剛性化された部分は、前記電気活性ポリマーの前記予歪みされた部分に隣接する方法。
【請求項４９】
請求項４５に記載の方法であって、前記電気活性ポリマーは、弾性予歪みを実現するために伸長される方法。
【請求項５０】
請求項４５に記載の方法であって、前記電気活性ポリマーのフィルムを形成することは前記混合物をキャスティングすることを含む方法。
【請求項５１】
請求項４５に記載の方法であって、前記前駆体を硬化することは、剛性化する部分のための表面を照射に曝露することを含む方法。
【請求項５２】
請求項５１に記載の方法であって、
前記剛性化する部分のための表面を照射に曝露することは、前記剛性化する部分の形状およびサイズを定義するマスクを前記電気活性ポリマー表面に適用することをさらに含む方法。
【請求項５３】
請求項５１に記載の方法であって、
前記剛性化する部分のための表面を照射に曝露することは、前記ポリマーの異なる部分が様々な程度に硬化および剛性化されることを可能とするマスクを前記剛性化する部分のための表面および前記電気活性ポリマーの他の部分に適用することをさらに含む、方法。
【請求項５４】
請求項５３に記載の方法であって、前記マスクは、前記電気活性ポリマーのエッジ部分への照射曝露の量を減らす方法。
【請求項５５】
請求項４５に記載の方法であって、前記予歪みを実現するために前記電気活性ポリマーを伸長することは、前記電気活性ポリマーを歪みが与えられた状態に保持するフレームを用いる方法。
【請求項５６】
請求項５５に記載の方法であって、照射曝露が完了した後、前記電気活性ポリマーを前記フレームから解放することをさらに含む方法。
【請求項５７】
請求項４５に記載の方法であって、前記電気活性ポリマーは第２方向より第１方向において大きく伸長される方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、United States Office of Naval Researchによって認められた契約番号N00014-02-C-0252の下で政府の支持で一部がなされた。政府は本発明に権利を有する。
【０００２】
本発明は、電気エネルギーおよび機械エネルギーの間で変換する電気活性ポリマーに一般に関する。より具体的には、本発明は予歪みが与えられた電気活性ポリマーに関する。
【背景技術】
【０００３】
多くの応用例において、電気エネルギーおよび機械エネルギーの間で変換することが望ましい。電気から機械エネルギーへの変換を要求する例示的応用例は、ロボット、モータ、ポンプ、バルブ、スピーカ、センサ、マイクロ流体デバイス、一般的なオートメーション、ディスクドライブ、および人工器官器具を含む。これらの応用例は、巨視的または微視的に電気エネルギーを機械的動作に変換する１つ以上のトランスデューサを含む。機械から電気エネルギーへの変換を要求する例示的応用例は、センサおよび発電機を含む。
【０００４】
電気的エネルギーを機械的エネルギーに、およびその逆に変換できる新しい電気活性ポリマーは、広い範囲のエネルギー変換の応用例について利用可能である。電気活性ポリマーのある特定のクラスである電気活性エラストマーは、高いエネルギー密度、応力、および電気―機械変換効率を示しえる。多くの電気活性ポリマーのパフォーマンスは、ポリマーが予歪みを与えられるときに顕著に増される。
【０００５】
予歪みは、ポリマーを張力で伸長し、１つ以上のポリマーのエッジを伸長された状態で固定することによるポリマーの変形を従来、必要とした。フレームのような堅固でかさばる支持構造が予歪みを支持するために通常使われた。バネのようなメカニズムも、ポリマー予歪みを支持するために、巻かれた電気活性ポリマーデバイスにおいては用いられてきた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前述を考慮すれば、電気活性ポリマーにおいて予歪みを得て維持する代替の技術が望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、電気活性ポリマーの１つ以上の部分において予歪みを維持する電気活性ポリマー、トランスデューサおよびデバイスを提供する。ここで記載される電気活性ポリマーは、予歪みされた部分および予歪みされた部分において予歪みを維持するよう構成される剛性化された部分を含みえる。ある実施形態において、本発明は、部分的に硬化された電気活性ポリマーに予歪みを与える。部分的に硬化されたポリマーは、予歪みを剛性化および維持するためにそれからさらに硬化される。他の実施形態において、支持レイヤが電気活性ポリマーの一部において予歪みを維持する前記ポリマーと結合される。
【０００８】
本発明の他の実施形態は、電気活性ポリマー内で予歪みを維持するためにポリマー前駆体を硬化させる。硬化可能な前駆体は、電気活性ポリマーシートまたはフィルムの表面に塗布されえ、硬化の前にフィルム内へ少なくとも部分的に分散または拡散することを可能にされる。
【０００９】
他の実施形態において、支持ポリマーのための前駆体が、ポリマーを例えば薄膜に形成する前に、電気活性ポリマーのための前駆体と混合される。前駆体は、電気活性ポリマーを形成した後にポリマーの剛性化された部分内で支持ポリマーを形成するために支持ポリマーについて硬化される。
【００１０】
ある局面において、本発明は、電気的および機械的エネルギーの間で変換する電気活性ポリマートランスデューサに関する。このトランスデューサは、少なくとも２つの電極を備える。このトランスデューサは、前記少なくとも２つの電極と電気的連通にある電気活性ポリマーも備える。この電気活性ポリマーは、予歪みされた部分および前記予歪みされた部分における予歪みを維持するよう構成される剛性化された部分を含む。
【００１１】
他の局面において、本発明は、電気的および機械的エネルギーの間で変換する電気活性ポリマートランスデューサに関する。このトランスデューサは、少なくとも２つの電極を備える。このトランスデューサはまた前記少なくとも２つの電極と電気的連通にあり、予歪みされた部分を含む電気活性ポリマーを備える。トランスデューサはさらに前記電気活性ポリマーの表面部分に結合され、前記予歪みされた部分において予歪みを維持するよう構成される支持レイヤを備える。
【００１２】
他の局面において、本発明は、電気的および機械的エネルギーの間で変換する電気活性ポリマートランスデューサに関する。このトランスデューサは、少なくとも２つの電極を備える。このトランスデューサは、前記少なくとも２つの電極と電気的連通にあり、予歪みされた第１部分および予歪みされた第２部分を含む電気活性ポリマーを備える。前記予歪みされた第１部分は、前記予歪みされた第２部分よりも大きい予歪みを備える。
【００１３】
さらに他の局面において、本発明は、電気活性ポリマーを形成する方法に関する。この方法は、部分的に硬化された電気活性ポリマーを形成するための電気活性ポリマーのための前駆体を部分的に硬化させることを含む。この方法は、また前記電気活性ポリマーについての予歪みを実現するために前記部分的に硬化された電気活性ポリマーを伸長することを含む。この方法は加えて、前記部分を剛性化するために前記電気活性ポリマーの一部をさらに硬化させることを含む。
【００１４】
他の局面においては、本発明は、電気活性ポリマーを形成する方法に関する。この方法は、前記ポリマーの一部において予歪みを実現するために前記電気活性ポリマーを伸長することを含む。この方法はまた、前記ポリマーが予歪みされるとき、前記ポリマーの表面部分に支持レイヤを結合させることを含む。前記支持レイヤは、前記予歪みされた部分に重なり、少なくとも部分的に前記部分において前記予歪みを維持する。
【００１５】
さらに他の局面において、本発明は、電気活性ポリマーを形成する方法に関する。本発明は、ポリマー前駆体を前記電気活性ポリマーの一部の表面に塗布することを含む。本発明はまた予歪みを実現するために前記電気活性ポリマーを伸長することを含む。本発明は加えて前記部分を剛性化するために前記ポリマー前駆体を硬化することを含む。
【００１６】
さらに他の局面において、本発明は電気活性ポリマーを形成する方法に関する。この方法は、電気活性ポリマーのための前駆体および支持ポリマーのための前駆体を備える混合物を提供することを含む。この方法は、前記混合物から前記電気活性ポリマーを形成することを含む。この方法はまた前記電気活性ポリマーの一部において予歪みを実現するために前記電気活性ポリマーを伸長することを含む。この方法はさらに前記ポリマーの剛性化された部分中に前記支持ポリマーを形成するために前記支持ポリマーのための前記前駆体を硬化することを含む。
【００１７】
本発明のこれらおよび他の特徴および優位性は、以下の本発明の説明および関連付けられる図において記載される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明は、添付の図面に示されるいくつかの好ましい実施形態を参照して詳細に説明される。以下の記載において、本発明の完全な理解を促すために多くの具体的な詳細が述べられている。しかし本発明はこれら特定の詳細の一部または全てがなくても実施されえることは当業者には明らかだろう。他の場合においてはよく知られたプロセスステップおよび／または構成は、本発明を不必要にぼかさないために記載されていない。
【００１９】
概観
【００２０】
電気活性ポリマーは、機械的および電気的エネルギーの間で変換する。本発明は、電気的および機械的エネルギーの間の変換を改善するために予歪みが与えられている電気活性ポリマーに関する。予歪みは、電気活性ポリマーのパフォーマンスを向上させる。例えば、予歪みは、歪みが与えられていない（non-strained）電気活性ポリマーに対して電気活性ポリマーの機械的応答を改善する。改善された機械的応答は、その電気活性ポリマーについてより大きな機械的仕事、例えばより大きな撓み（deflections）およびアクチュエーション圧力を可能にする。面積比で２倍から２５倍の予歪みは、多くの電気活性ポリマーのパフォーマンスを大きく改善する。例えば、予歪みされるとき、アクリルコポリマーエラストマー（例えば3M Corporationによって提供される3M VHB 4910）は、面積比または直線歪みで１００％から３８０％の大きくかつ可逆な電気機械的歪み（strain）を作る。少なくとも約２００パーセントの歪みおよび少なくとも約３００パーセントの面積歪みは、本発明の他の予歪みされたポリマーではふつうである。
【００２１】
予歪みは、ポリマーの異なる方向において変わりえる。予歪みの方向的可変性を結合すると、ポリマーを制約する異なるやり方、微視的および巨視的レベルの両方についての電気活性ポリマーのスケーラビリティ、および異なるポリマー方向付け（例えば、個別のポリマーレイヤを巻くことまたは重ねること）は、電気的および機械的エネルギーの間で変換する幅広いトランスデューサ、デバイス、アクチュエータ、センサおよび発電機を可能にする。
【００２２】
本発明は、ポリマーにおいて予歪みを保持するための堅固なフレームまたは別個のメカニズムの必要を減らす（デバイスによっては依然としてフレームを含みえるが、ポリマー中の予歪みを維持する必要はない）。予歪みを保持するためのフレームのような非能動構造を減らすこと、またはなくすことは、電気活性ポリマーデバイスの製造および構成の複雑さを減らし、デバイスの機械的安定性を改善し、デバイスをパッケージする代替のやり方を可能にし、全体のデバイスエネルギー密度を増し、および電気活性ポリマーデバイスのかさおよび重さを減らす。
【００２３】
電気活性ポリマーにおいて予歪みを維持するためのいくつかの技術が説明される。ある技術は、ポリマーの１つ以上の部分を剛性化し、予歪みを維持するために積層体を採用する。他の技術は、ポリマーの１つ以上の部分を剛性化するために硬化技術を採用する。他の実施形態において、本発明は、１つ以上の硬化可能なポリマー前駆体（curable polymer precursors）を電気活性ポリマーに追加することを含む。具体的な実施形態において、硬化可能なポリマー前駆体は、電気活性ポリマーのシートまたは膜の表面に塗布され、その膜内へ分散または拡散することが可能にされる。それからこの混合物は、１つ以上のより剛性を持つ部分を形成するよう硬化される。
【００２４】
他の局面において、本発明は、電気活性ポリマーを製造する方法、および１つ以上の予歪みされた電気活性ポリマーを含む電気機械デバイスを提供する。
【００２５】
電気活性ポリマートランスデューサの一般的な構造
本発明のトランスデューサおよびデバイスにおける電気および機械エネルギー間の変換は、電気活性ポリマーのエラスタンスおよび電気活性ポリマーの１つ以上の部分のエネルギー変換に基づく。電気エネルギーを機械エネルギーへ変換する電気活性ポリマーのパフォーマンスを示すのに役立つよう、図１Ａは、本発明のある実施形態によるトランスデューサ部１０の上部透視図である。電気活性ポリマートランスデューサがここで構造体として説明されるが、当業者には本発明は後述されるような動作を実行する方法を包含することが理解されよう。
【００２６】
トランスデューサ部１０は、電気的エネルギーおよび機械的エネルギー間で変換する活性ポリマー１２を備える。ある実施形態において、電気活性ポリマーは、２つの電極間の絶縁誘電体として振る舞い、２つの電極間での電圧差の印加とともに撓みえるポリマーを指す。ポリマー１２は、電気的に電極１４および１６と連通する。より具体的には、上部および底部電極１４および１６は、それぞれその上部および底部表面において電気活性ポリマー１２に接触し、ポリマー１２の一部にわたって電圧差を提供する。ポリマー１２は、上部および底部電極１４および１６によって提供される電界における変化で撓む。電極１４および１６によって提供される電界における変化に応答するトランスデューサ部１０の撓みは、アクチュエーションと呼ばれる。ポリマー１２のサイズが変化するにつれ、この撓みは機械的仕事を作るのに用いられえる。
【００２７】
図１Ｂは、電界の変化に応答する撓みを含むトランスデューサ部１０の上部透視図である。一般に、撓み（deflection）は、ポリマー１２の一部の任意の変位、膨張、収縮、膨らみ、ねじれ、線または面積歪み、または任意の他の変形を指す。電極１４および１６に、またはそれらによって印加された電圧差に対応する電界における変化は、ポリマー１２内に機械的圧力を作る。この場合、電極１４および１６によって作られた異なる電気的電荷は、互いに引き合い、電極１４および１６間に圧縮力を、平面方向１８および２０においてポリマー１２に伸長力を提供し、ポリマー１２が電極１４および１６間で圧力し、平面方向１８および２０において伸長するようにさせる。
【００２８】
電極１４および１６間の電圧の印加の後に、平面方向１８および２０の両方においてポリマー１２は拡大する（伸長する）。場合によっては、ポリマー１２は、非圧縮性であり、例えば応力下で実質的に一定の容積を有する。非圧縮性ポリマー１２については、ポリマー１２は、ポリマー１２は、平面方向１８および２０での拡大の結果、厚さが減る。本発明は非圧縮性ポリマー１２に限定されず、ポリマー１２の撓みはそのような簡単な関係に従わなくてもよいことが理解されよう。
【００２９】
一般に、トランスデューサ部１０は、機械的力が撓みを駆動する静電力とバランスするまで撓み続ける。機械的力は、ポリマー１２材料の弾性復元力、電極１４および１６のコンプライアンス、およびトランスデューサ部１０に結合されたデバイスおよび／または負荷によって提供される任意の外部抵抗などを含む。印加された電圧の結果によるトランスデューサ部１０の撓みは、ポリマー１２の誘電率およびポリマー１２の大きさのような多くの他のファクタにも依存しえる。
【００３０】
図１Ａに示されるトランスデューサ部１０上の電極１４および１６間の比較的大きな電圧差の印加は、よってトランスデューサ部１０が図１Ｂに示されるようにより薄く、より大きな面積形状へと変化するようにさせる。このようにして、トランスデューサ部１０は、電気的エネルギーを機械的エネルギーへ変換する。機械的エネルギーから電気的エネルギーへ変換するためのトランスデューサ部１０の使用が以下に説明される。
【００３１】
図１Ａおよび１Ｂに示されるように、電極１４および１６は、示されるポリマー１２の全体の部分を覆う。よりふつうには、電極１４および１６は、ポリマーの全表面面積に対してポリマー１２の限られた部分を覆う。これは、ポリマー１２のエッジの周りの電気的ブレークダウンを防ぐためになされえる。電極は、以下にさらに詳細に説明されるように、カスタマイズされた表面撓みを達成するために特別な形状でパターン付けされてもよい。代替として、これは、ポリマーの非圧縮性を利用し、１つ以上のポリマー表面上で表面特徴および変形を作るためになされえる。
【００３２】
ここでこの語が用いられるように、アクティブ領域は、ポリマー材料１２および少なくとも２つの電極を備えるトランスデューサの一部を指す。このアクティブ領域が電気的エネルギーを機械的エネルギーに変換するのに用いられるとき、アクティブ領域は、この部分の撓みを可能にするだけ充分な静電力を有するポリマー１２の一部を含む。アクティブ領域が機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換するのに用いられるとき、このアクティブ領域は、静電エネルギーの変化を可能にするのに充分な撓みを有するポリマー１２の一部を含む。以下で説明されるように、本発明のポリマーは、複数のアクティブ領域を有しえる。
【００３３】
一般に、本発明のトランスデューサと用いられるのに適するポリマーは、静電力に応答して変形する、またはその変形が電界の変化を生じる、任意の実質的に絶縁性のポリマーまたはゴム（またはそれらの混合物）を含む。好ましくは、ポリマーの変形は、広い範囲の歪みにわたって可逆である。多くのエラストマーポリマーは、この目的を果たしえる。適切なポリマーを設計または選択するときには、最適な材料、物理的特性、および化学的特性を考慮すべきだろう。そのような特性は、モノマー（任意の側鎖を含む）、添加剤、架橋の度合い、結晶化度、分子量などの思慮深い選択によって調節されえる。
【００３４】
ポリマー１２は、多くの異なる物理的および化学的状態をとりえる。例えば、ポリマーは、可塑剤のような添加剤と共に、またはそれなしで用いられえる。またそれらは、モノリシックポリマーシートまたは積層体またはパッチワークのようなポリマーの組み合わせでありえる。さらに、ポリマーは、単一の相または多相で存在しえる。多相材料の１つの例は、そこに混合された無機充填剤粒子を有するポリマーマトリックスである。
【００３５】
トランスデューサポリマーの最終的な化学的および物理的状態に関わらず、それはポリマーマトリックスを含むことになる。このマトリックスは、ホモポリマーまたはコポリマー、架橋有り、または架橋なし、直鎖または分岐などでありえる。本発明のトランスデューサと用いるのに適するポリマーの例示的クラスは、シリコーンエラストマー、アクリルエラストマー、ポリウレタン、熱可塑性エラストマー、ＰＶＤＦを備えるコポリマー、感圧性接着剤、フルオロエラストマー、シリコーンおよびアクリル残基（moieties）などを備えるポリマーを含む。明らかに、これら材料のいくつかの組み合わせは、本発明のトランスデューサのポリマーマトリックスとして用いられえる。コポリマーおよび混合物も適するポリマーのクラスに入る。ある例は、シリコーンエラストマーおよびアクリルエラストマーの混合物である。
【００３６】
ある適する商業的に入手可能なポリマーは、カリフォルニア州、CarpenteriaのNuSil Technologyによって提供されるNuSil CF19-2186である。適するシリコーンエラストマーの例は、デラウェア州、WilmingtonのDow Corningによって提供されるDow Corning HS3である。適するフルオロシリコーンの一例は、デラウェア州、WilmingtonのDow Corningによって提供されるDow Corning 730である。適するアクリルの例は、ミネソタ州、St. Paulの3M Corp.によって提供される4900 VHBアクリルシリーズ中の任意のアクリルを含む。
【００３７】
電気活性ポリマー、またはその一部のための適切なアクチュエーション電圧は、ポリマー膜の厚さのようなポリマーの寸法と共に、誘電率のような電気活性ポリマーの材料特性に依存しえる。例えば、図１Ａのポリマー１２をアクチュエートするのに用いられるアクチュエーション電界は、約０Ｖ／ｍから約４４０ＭＶ／ｍまでの大きさに範囲しえる。この範囲のアクチュエーション電界は、約０Ｐａから約１０ＭＰａまでの範囲の圧力を作りえる。トランスデューサがより大きな力を作るためには、ポリマーレイヤの厚さが増されなければならない。特定のポリマーについてのアクチュエーション電圧は、例えば、誘電率を増し、ポリマー厚さを減らし、かつ弾性係数を減らすことによって低減されえる。
【００３８】
ある実施形態において、ポリマー１２は、そのエラスタンスに基づいてコンプライアンスを有し、選択される。約１００ＭＰａより小さいポリマー１２についての弾性係数が多くの実施形態について適する。ある具体的な実施形態において、電気活性ポリマー１２は、４０ＭＰａより小さい弾性係数を含む。他の具体的な実施形態においては、電気活性ポリマー１２は、比較的コンプライアンスがあり、１０ＭＰａより小さい弾性係数を含む。
【００３９】
本発明のトランスデューサおよびポリマーは、特定の幾何学形状または撓みのタイプに限定されない。例えば、ポリマーおよび電極は、円筒およびロール、複数の堅固な構造の間に取り付けられた伸長されたポリマー、ここで記載された技術によって維持される任意の幾何学形状の伸長されたポリマー（曲面または複雑な幾何学形状、１つ以上のジョイントを有するフレームにわたるものなどを含む）を含む任意の幾何学的配置または形状に形成されえる。本発明によるトランスデューサの撓みは、直線状拡張および／または１つ以上の方向における圧縮、屈曲、ポリマーが巻かれるときは軸についての撓み、基板に設けられる穴から出る撓みなどを含みえる。トランスデューサの撓みは、どのようにポリマーがフレーム、ポリマーに取り付けられた堅固な構造、またはポリマーの剛性化された部分（例えば、硬化または積層化を介して）によって制約されるかによって影響されえる。具体的な実施形態において、ポリマーより伸長においてより剛性のある可撓性材料がトランスデューサの一端に取り付けられ、ポリマーがアクチュエートされるとき屈曲を生じる。
【００４０】
直線歪みおよび面歪みは、予歪みされたポリマーの撓みを記述するために用いられえる。ここでこの語が用いられるように、予歪みされたポリマーの線歪みは、アクチュエートされない状態に対しての撓みのラインに沿った単位長当たりの撓みを指す。少なくとも約５０％の最大線歪み（引張または圧縮）が本発明の予歪みされたポリマーについてはふつうである。もちろん、ポリマーは、この最大より小さい歪みで撓みえ、歪みは、印加される電圧を調節することによって調整されえる。ある予歪みされたポリマーについては、少なくとも約１００％の最大線歪みがふつうである。ミネソタ州、St. Paulの3M Corp.によって製造されるVHB 4910のようなポリマーについては、４０から２１５パーセントの範囲にある最大線歪みがふつうである。電気活性ポリマーの面歪みは、例えば図１Ａおよび１Ｂにおける方向１０８および１１０によって定義される平面における変化のような、アクチュエートされない状態に対するアクチュエーション時のポリマーの単位面積当たりの平面領域における変化を指す。少なくとも約１００パーセントの最大面歪みが本発明の予歪みされたポリマーについては可能である。いくつかの予歪みされたポリマーについては、７０から３３０パーセントの範囲の最大面歪みがふつうである。
【００４１】
本発明の電気活性ポリマーは高い歪みにおいて撓みえるので、ポリマーに取り付けられた電極も機械的または電気的パフォーマンスで妥協することなく撓まなければならない。一般に、本発明と共に用いられるのに適する電極は、それらが電気活性ポリマーに適切な電圧を印加でき、またはそれから適切な電圧を受け取れる限り、任意の形状および材料でありえる。電圧は、時間について一定または可変のいずれでもよい。ある実施形態において、電極は、ポリマーの表面に接着する。ポリマーに接着する電極は、コンプライアンスがあり、ポリマーの変化する形状に従いえる。電極は、電気活性ポリマーの一部に適用されえ、その幾何学形状にしたがってアクティブ領域を定義しえる。以下に記載されるように、電極は、ポリマーの撓みによって作られる表面フィーチャのための所望の形状を達成するようパターン付けされえる。
【００４２】
ある実施形態において、電極１４および１６は、コンプライアンスを有し、それらが取り付けられる電気活性ポリマーの形状に従う。図１Ａおよび１Ｂを再び参照し、ポリマー１２および電極１４および１６の構成は、撓みについてのポリマー１２の応答の増加を提供する。より具体的には、トランスデューサ部１０が撓むにつれ、ポリマー１２の圧縮は、電極１４および１６の反対の電荷がより近くなるようにし、ポリマー１２の伸長はそれぞれの電極中の同極の電荷を引き離す。ある実施形態においては、電極１４および１６のうちの１つはグラウンドである。
【００４３】
本発明と共に用いるのに適するさまざまなタイプの電極は、共有された同時係属中の米国特許出願第０９／６１９，８４８号に記載され、全ての目的のために参照によって援用される。そこで記載された本発明とともに用いるのに適した電極には、金属トレースおよび電荷分配レイヤを含む構造化電極、さまざまな平面外寸法を含む模様付き電極、カーボングリースまたはシルバーグリースのような導電グリース、コロイド懸濁液、カーボン微小繊維およびカーボンナノチューブのような高アスペクト比導電材料、およびイオン導電材料の混合物が含まれる。本発明は、金属および半可撓性電極も採用しえる。ある実施形態において、例えば錫箔のように金属レイヤが平面外では可撓性であり、平面内では比較的剛性があるように金属は薄いシートで設けられる。平面外では可撓性であり、平面内では比較的剛性がある他の電極は、アルミニウム付きマイラのシートを備えうる。他の実施形態においては、この金属は、金属レイヤが堅固であり、取り付けられた表面上で撓みからポリマーを制約するように厚いシートで設けられる。
【００４４】
本発明の電極に用いられる材料はさまざまである。電極として用いられる適切な材料には、グラファイト、カーボンブラック、コロイド懸濁液、銀および金を含む薄い金属、銀が満たされた、またはカーボンが満たされたゲルまたはポリマー、ゼラチン、イオン的にまたは電子的に導電性を有するポリマーが含まれる。特定の実施形態において、本発明と共に用いられるのに適切な電極は、ペンシルバニア州のPhiladelphiaのStockwell Rubber Co. Inc.によって製造されるStockwell RTV60-CONのようなシリコーンラバーバインダ中の８０パーセントカーボングリースおよび２０パーセントカーボンブラックを含む。カーボングリースは、マサチューセッツ州のFairhavenのNye Lubricant Inc.によって提供されるNyoGel 756Gのようなタイプである。導電グリースはまた、ニューヨーク州、WaterfordのGeneral Electricによって製造されるRTV 118のようなエラストマーと混合され、ゲル状の導電グリースを提供しえる。
【００４５】
ある種の電極材料は特定のポリマーとうまく働き、他のものとはうまく働かないということもありえることが理解されよう。たいていのトランスデューサについて、コンプライアンスを有する電極について望ましい特性は、以下のうちの１つ以上を含みえる。すなわち低弾性率、低機械的減衰、低表面抵抗、均一な抵抗、化学的および環境的安定性、電気活性ポリマーとの化学的適合性、電気活性ポリマーへの良好な接着性、および滑らかな表面を形成できる性能である。場合によっては、本発明のトランスデューサは、例えばそれぞれのアクティブ領域についての異なる電極タイプ、またはポリマーの反対側上の異なる電極タイプのような２つの異なるタイプの電極を実現しえる。
【００４６】
電子ドライバが電極に典型的には接続される。電気活性ポリマーに提供される電圧は、トランスデューサおよび応用例の具体的事項に依存する。ある実施形態において、本発明のトランスデューサは、ＤＣバイアス電圧の周りで印加された電圧を変調することによって電気的に駆動される。バイアス電圧についての変調は、印加された電圧に対してのトランスデューサの改良された感度および直線性を可能にする。例えば、オーディオ応用例において用いられるトランスデューサは、約７５０から２０００ボルトＤＣに範囲するバイアス電圧の上に２００から１０００ボルトに達するピークツーピークの信号によって駆動されえる。
【００４７】
本発明によれば、「モノリシック」という語は、ここでは複数のアクティブ領域を単一のポリマー上に備える電気活性ポリマー、トランスデューサ、およびデバイスを指すのに用いられる。図１Ｃは、本発明のある実施形態によって複数のアクティブ領域を備えるモノリシックトランスデューサ１５０を示す。モノリシックトランスデューサ１５０は、電気エネルギーおよび機械エネルギーの間で変換をする。モノリシックトランスデューサ１５０は、２つのアクティブ領域１５２ａおよび１５２ｂを有する電気活性ポリマー１５１を備える。
【００４８】
アクティブ領域１５２ａは、その上部および下部表面１５１ｃおよび１５１ｄ上でそれぞれポリマー１５１に取り付けられた上部および下部電極１５４ａおよび１５４ｂを有する。電極１５４ａおよび１５４ｂは、ポリマー１５１の部分１５１ａにわたって電圧差を与える。部分１５１ａは、電極１５４ａおよび１５４ｂによって与えられた電界の変化によって撓む。より具体的には、部分１５１ａは、部分１５１ａにわたっての適切な電圧差で、平面において拡張し、垂直には（またはその平面と直交して）薄くなる。部分１５１ａは、電極１５４ａおよび１５４ｂの間のポリマー１５１、および電極１５４ａおよび１５４ｂを用いた電圧の印加による撓みおよび薄くなることを可能にするのに静電力によって誘導された充分な応力を有するポリマー１５１の任意の他の部分を備える。
【００４９】
アクティブ領域１５２ｂは、その上部および下部表面１５１ｃおよび１５１ｄ上でそれぞれポリマー１５１に取り付けられた上部および下部電極１５６ａおよび１５６ｂを有する。電極１５６ａおよび１５６ｂは、ポリマー１５１の部分１５１ｂにわたって電圧差を提供する。部分１５１ｂは、電極１５６ａおよび１５６ｂによって与えられた電界の変化によって撓む。より具体的には、部分１５１ａは、部分１５１ａにわたっての適切な電圧差で、平面において拡張し、垂直には（またはその平面と直交して）薄くなる。部分１５１ｂは、電極１５６ａおよび１５６ｂの間のポリマー１５１、および電極１５６ａおよび１５６ｂを用いた電圧の印加による撓みを可能にする静電力によって誘導された充分な応力を有するポリマー１５１の任意の他の部分を備える。
【００５０】
アクティブ領域１５２ａおよび１５２ｂは、それらそれぞれの電極を介して独立制御を許す。よって適切な制御電子回路と共に、アクティブ領域１５２ａおよび１５２ｂは、個別に、同時に、断続的になどアクチュエートされえる。
【００５１】
ここまでは、ここまで記載された電気活性ポリマーの反対側表面上の電極は、サイズ、形状および位置において対称的であった。本発明のトランスデューサの反対側上の電極は、対称的設計またはレイアウトに限定されず、電気活性ポリマーの反対側表面上で異なるサイズ、形状、タイプ、および／または位置を有しえる。ポリマー上の電極は、所望のようにパターン付けされえる。例えば、１つ以上の電極は、マスクまたはステンシルによって決定される形状でポリマーの表面上にスプレーされえる。異なるマスクがそれぞれのポリマー表面について用いられえる。カスタマイズされた電極形状は、ポリマー部分からのカスタマイズされた撓みを可能にする。それぞれのアクティブ領域についての電極の制御は、それぞれのカスタムパターン付けされたアクティブ領域が個別に、同時に、断続的になどアクチュエートされることを可能にする。
【００５２】
電気活性ポリマー予歪み
電気活性ポリマー１２、または１つ以上のその部分は予歪みが与えられる。多くのポリマーのパフォーマンスは、ポリマーが面積で予歪みされると顕著に増される。多くのポリマーについて、予歪みは、電気的および機械的エネルギー間の変換を改善する。改善された機械的応答は、電気活性ポリマーについてより大きな機械的仕事、例えばより大きな撓みおよびアクチュエーション圧力を可能にする。ある実施形態において、予歪みは、ポリマーの誘電強度を改善する。例えば１０倍から２５倍の面積増加は、多くの電気活性ポリマーエラストマーのパフォーマンスを改善する。
【００５３】
ある実施形態において、予歪みは弾性的である。原則的に、弾性的に予歪みされたポリマーは、除去された予歪みを維持し、その元の歪みがない状態に戻る任意の力または変化を有しえる。
【００５４】
予歪みは、ポリマー１２の弾性変形を備え得て、例えばポリマーを張力を持って伸長させ、ポリマーが伸長されるあいだにここで記載された技術の１つ以上を適用することによって形成されえる。ある実施形態において、電気活性ポリマー、またはポリマーに追加されたポリマー前駆体の部分は、それらの剛性を増し、ポリマーの１つ以上の部分についての予歪みを保持するために硬化またはそうでなければ剛性化される。これは、予歪みが外部フレームなしで保持されることを可能にする。本発明は、ポリマーの１つ以上の部分について予歪みを維持するためにポリマー上に積層された１つ以上の剛性のあるレイヤを採用しえる。
【００５５】
１つ以上の方向おいてポリマーの予歪みは、予歪み後のある方向における寸法の、予歪み前のその方向における寸法に対する変化として記述されえる。ある実施形態において、予歪みは、等方性予歪みポリマーを作るためにポリマー１２の部分にわたって均一に与えられる。例として、アクリルエラストマーポリマーは、平面方向１８および２０（図１Ａ）において２００から４００パーセントだけ伸長されえる。他の実施形態において、予歪みは、非等方性予歪みポリマーを作るためにポリマー１２の部分について異なる方向に不均一に与えられる。この場合、ポリマー１２は、アクチュエートされるとき、ある方向より他の方向により大きく撓みえる。理論によって束縛されることを望まないが、ある方向にポリマーを予歪みすることは、その予歪み方向においてポリマーの剛性を増しえると考えられている。結果として、ポリマーは、その予歪み方向においては比較的剛性があり、低い予歪み方向においてはよりコンプライアンスを有し、アクチュエーションと共に、より多くの撓みが低予歪み方向に起きる。ある実施形態においては、トランスデューサ部１０の方向１８における撓みは、直角方向２０における大きな予歪みを採用することによって向上されえる。例えば、トランスデューサ部１０として用いられるアクリルエラストマーポリマーは、方向１８において１０パーセント、および直角方向２０において５００パーセント伸長されえる。
【００５６】
ポリマーについての予歪みの量は、電気活性ポリマー材料およびアクチュエータ、発電機、センサまたは応用例における電気活性ポリマートランスデューサの所望のパフォーマンスに基づきえる。本発明のあるポリマーについては、１つ以上の方向における予歪みは、−１００パーセントから６００パーセントに範囲しえる。例として、等方性予歪みを有するＶＨＢアクリルエラストマーについては、少なくとも約１００パーセント、および好ましくは約２００〜４００パーセントの間の予歪みがそれぞれの方向において用いられえる。ある実施形態において、ポリマーは、元の面積の約１．５倍から５０倍の範囲の係数によって予歪みされる。コンプライアンスのある方向におけるアクチュエーションを向上させるために予歪みされる非等方性アクリルについては、約４００〜５００パーセントの間の予歪みが剛性化方向において用いられえ、約２０〜２００パーセントの間の予歪みがコンプライアンス方向において用いられえる。場合によっては、予歪みは、負の予歪みが他の方向に起きるように、例えば、ある方向に６００パーセントで、直交する方向にー１００パーセントであるように、ある方向において追加されえる。これらの場合、予歪みによる面積の正味の変化は、典型的には正である。本発明と用いるのに適する予歪みは、共有される米国特許第6,545,384号にさらに記載され、その全体が全ての目的のために参照によって援用される。
【００５７】
予歪みは、ポリマー１２の他の特性に影響を与えうる。大きな予歪みは、ポリマーの弾性特性を変化させ、より低い粘弾性損失でより剛性のある組織に変えうる。あるポリマーについては、予歪みは、ポリマー１２の電気的ブレークダウン強度を増し、これはさらに高い電界がポリマー内で用いられることを可能にし、より高いアクチュエーション圧力およびより高い撓みを許す。
【００５８】
予歪みは、実質的にポリマー全体について施されてもよく、またはポリマーの一部について局所的に実現されてもよい。ポリマーの異なる部分は、後述のように異なる予歪みも含みえる（例えば図２Ｃ）。
【００５９】
例示的予歪み構成
本発明は、ポリマーおよび／または積層体の剛性化された部分を用いて、予歪みを電気活性ポリマーの１つ以上の部分について維持する。ポリマーまたはその一部について予歪みを維持するフレームまたは１つ以上の構造的支持部として形づくられた剛性化された部分を有する電気活性ポリマー、トランスデューサまたはデバイスの構成は数え切れないほど存在する。電気活性ポリマーデバイスのためのフレームおよび構造的な要素の多くの例は、共有される米国特許第6,545,384号にさらに記載され、上で参照によって援用された。いくつかの例示的電気活性ポリマー構成がここで説明を進めるために示される。
【００６０】
図２Ａは、本発明のある実施形態による予歪みされた部分４２および剛性化された部分４４を備えうる電気活性ポリマー４０を示す。予歪みされた部分４２は、非等方性および／または弾性予歪みのような予歪みを含むポリマー４０の一部を含む。
【００６１】
剛性化された部分４４は、予歪みされた部分４２において予歪みを維持するよう構成される。剛性化された部分４４は、予歪み部分４２において予歪みを保持し維持する構造要素として働く。より具体的には、剛性化された部分４４は、その予歪みを得るために予歪み部分４２が伸長されたときに発生される伸長された予歪み部分４２における弾性収縮力に反対する力を提供するよう構成される。よって剛性化された部分４４は、ポリマー４０についての機械的安定性を提供する。示されるように、剛性化された部分４４は、予歪みされた部分４２を周辺で境界線を作る四角形の窓を備える。
【００６２】
剛性化された部分４４は、予歪み部分４２よりもより大きい剛性を有する（またはより少ない圧縮性を有する）ポリマー４０の一部を備えうる。ある実施形態において、剛性化されたポリマー部分は、約１０ＭＰａより大きい弾性係数を備える。他の実施形態において、剛性化されたポリマー部分は、約５０ＭＰａより大きい弾性係数を備える。
【００６３】
ある実施形態において、剛性化された部分４４は、電気活性ポリマー４０が少なくとも部分的に予歪み部分４２において予歪みを維持するよう予歪みされた状態で硬化されたポリマー要素を備える。以下にさらに詳述されるように、剛性化された部分４４は、示される剛性化された部分４４によって示される領域においてポリマー４０を硬化させること、剛性化された部分４４によって示される領域に含まれるポリマー前駆体を硬化させること、または剛性化された部分４４によって示される領域に支持レイヤを積層させることを介しても形成されえる。
【００６４】
１つ以上の電極は、剛性化された部分４４内のアクティブ領域を作るために予歪みされた部分４２の両方の表面上に配置されえる。図３Ｂは、電極２７５および２７６がポリマーに硬化されたフレーム２７１内の予歪み部分２７３の上部および底部表面上にパターン付けされる、伸長されたフィルムアクチュエータを示す。この場合、予歪みされた部分のポリマー２７３は、フレーム２７１を剛性化するのに用いられるメカニズムを含む必要はない。例えば、もしポリマー前駆体がフレーム２７１を剛性化するよう硬化されるなら、予歪み部分ポリマー２７３は、ポリマー前駆体を含まなくてもよく、または大きく硬化させることなくポリマー前駆体を含んでもよい。
【００６５】
ある実施形態において、電気活性ポリマー４０は、コンプライアンスを有する電気活性ポリマー膜および剛性化されたポリマー部分４４を定義するコンプライアンスを有する電気活性ポリマー膜内またはその上に形成された支持ポリマーを備える。硬化のような支持ポリマーを形成する技術は後述される。
【００６６】
剛性化された部分４４は、「in-situ」のしかし別個の機械的支持を予歪み部分４２のために提供する。すなわち、電気活性ポリマー４０は、予歪み部分４２において予歪みを維持するよう構成される外部フレームまたは外部メカニズムを含まず、その代わり、増強された剛性を有するポリマー４０の部分に頼る。これは、ポリマー４０を採用するトランスデューサおよびデバイスの製造を簡略化し、トランスデューサおよびデバイスの力密度を増す。
【００６７】
図２Ａのように剛性化された部分および予歪みされた部分を分離することに対して、本発明は、剛性化を含む予歪み部分を作るために、電気活性ポリマーの一部分（またはポリマー全体）を剛性化しえる。この場合、剛性化された部分は、予歪み局所的に支持し、共通の予歪み／剛性化部分が撓むように意図される。よって、剛性化された部分は、予歪みにロックされ、一方、共通の剛性化／予歪み部分はやはり動く。これは、予歪みを含むが、予歪みを維持するためにポリマーを固定するフレームの必要をなくすポリマーシートを有利に提供する。フレームは、デバイスにおけるポリマーに結合するためのような他の理由のためにも用いられえるが、予歪みを保持するのにフレームからポリマー上に加えられる応力はなくされる。これは、予歪みは含むが、予歪みを保持するためのポリマー中の応力を含まないポリマー、またはその部分を作る。
【００６８】
図２Ｂは、本発明のある実施形態による剛性化された部分６４に対応する予歪みされた部分６２を備える電気活性ポリマー６０を示す。示されるように、剛性化された部分６４は、実質的に電気活性ポリマー６０の全体を備える。加えて、予歪みされた部分６２は、剛性化された部分６４と表面領域で一致し、実質的に電気活性ポリマー６０の全体を備える。この場合、剛性化されたポリマー６０の部分が予歪みを内的に維持する。換言すれば、予歪み部分６２は、予歪みされた部分６２がその予歪みを得るために伸長されたときに発生された伸長された予歪み部分６２における弾性圧縮力に反対する力を提供するよう剛性化されている。
【００６９】
ある実施形態において、剛性化部分６４は、硬化された電気活性ポリマーを備え、一方、ポリマー６０全体は所望の剛性、コンプライアンスまたは予歪みレベルを得るために伸長されている。この場合、共通剛性化部分６４／予歪み部分６２は、製造において予歪みを保持するのに用いられるために硬化に利用不可能なポリマーを保持するのに必要とされるもの（例えば放射硬化に対して可視ではないもの）を除いて、硬化されたポリマー６０の全ての部分を含みえる。熱硬化については、共通剛性化部分６４／予歪み部分６２は、全体のポリマー６０を含みえる。
【００７０】
他の実施形態において、剛性化された部分６４は、全体の電気活性ポリマー６０に加えられ、全体のポリマー６０が伸長されているときに硬化されたポリマー要素を備える。再び、これはポリマー成分を追加するのに利用不可能な部分を除外しえる。ポリマー成分を追加するときマスクを用いてパターニングすること、または硬化においてマスクでパターニングすることは、カスタムサイズの予歪み部分６２を作るために用いられえる。代替として、ポリマー成分は、全体のポリマー６０および全体のポリマー６０を予歪みおよび剛性化するために硬化された（例えばオーブン内で熱的に）全体のポリマーに追加されえる。
【００７１】
ポリマー前駆体を硬化させることも、予歪みされた部分６２（ポリマー６０の全体だろうが、またはその一部だろうが）を形成しえる。再び、ポリマー前駆体を追加するときにマスクを用いてパターニングすること、または硬化においてマスクでパターニングすることは、カスタムサイズの予歪み部分６２を作るために用いられえる。またはポリマー全体がこのやり方で予歪みおよび硬化されえ、例えば予歪みされた部分６２およびポリマー６０の寸法に似た剛性化部分をつくる。
【００７２】
電気活性ポリマーのための前駆体および支持ポリマーのための前駆体を備える混合物中で混合された支持ポリマーについての前駆体を硬化させることも、予歪み部分６２を形成しえる。ある実施形態において、硬化された組成の技術は、ポリマー６０の全体を剛性化させ、実質的に均一な予歪み特性を持つ電気活性ポリマー全体を備える剛性化された部分を作る。
【００７３】
図２Ｂに示される予歪みもポリマーについてのブレークダウン電圧を増しえる。これは、予歪みなしの同じポリマーよりも絶縁体およびキャパシタとしてのポリマーの使用を改善する。加えて、ポリマー６０は、予歪みを支持するフレームの使用から生まれるアクチュエータレベルにおいて印加された予歪み応力を含まない。
【００７４】
図２Ｂは、ポリマー６０の全体のサイズと空間的に一致する剛性化された部分６４を示すが、６０のより小さい部分は、剛性化された部分と表面領域において一致する予歪みされた部分を含みえることが理解されよう。例えば、マスクは、図２Ｃに示される形状（境界をなす支持部分なしで）を作るために用いられえる。
【００７５】
図２Ｃは、本発明のある実施形態によって単一のポリマー上にパターン付けされた複数の剛性化された領域８２、８４および８６を備える電気活性ポリマー８０を示す。剛性化された部分８２は、四角の予歪みされた部分８３について境界をなし、予歪みを維持し、一方、剛性化された部分８４は、円形の予歪みされた部分８５について境界をなし、予歪みを維持する。予歪みされた部分８６は、予歪みされた部分８６と空間的に一致する剛性化された部分を含み、剛性化された部分８２および８４より少ない剛性を備えることによって、共通予歪み部分／剛性化部分８６の撓みを許す。
【００７６】
ポリマー８０は、複数の電気活性ポリマートランスデューサのバッチ製造を許し、予歪みされた部分８３および８５およびそのそれぞれの剛性化された領域を備えるトランスデューサおよびデバイスの製造を簡略化する。例えば写真硬化の単一のマスクを用いて多くの剛性化された領域８２および８４をパターン付けすることは、全体のポリマーおよびその上に形成された全体の予歪みされた部分８３、８５および８６のための予歪みを達成するために、全体の電気活性ポリマー８０のための１つの伸長アクションを可能にする。より多くおよびより少なく異なる部分を写真硬化することは、それから所望の剛性をそれぞれの部分に作りえる。例えば、予歪みされた部分８６ａは、増された硬化および剛性化を含みえ、よってより剛性のあるポリマーおよび増された予歪みを部分８６ａに作り、これに対して８６ｂは、より少ない硬化および剛性化を備え、よってより柔らかいポリマーおよび減らされた予歪みを部分８６ｂに作る。
【００７７】
ある実施形態において、剛性化された領域８２は、剛性化された領域８４よりもより大きい剛性を備える。程度の異なる剛性化のためのいくつかの技術が後述される。例えば剛性化された領域８２は、予歪みされた部分８３上に課せられる予歪みを完全に維持するより大きな剛性を備えうるが、一方、剛性化された領域８４は、予歪み部分８３に課せられた予歪みを部分的に維持する、例えばそれぞれの方向において予歪みを半分だけ維持するより小さい剛性を備えうる。ポリマー８０が一定の予歪みを全体にわたって含むとき、この程度の異なる剛性は、単一の電気活性ポリマー上に程度の異なる予歪みを持つ領域群を作る。よって、電気活性ポリマー８０は、第２予歪みされた部分８５よりより大きい予歪みを有する予歪みされた部分８３を備える。
【００７８】
それぞれの予歪みされた部分および剛性化された部分は、適切なマスクまたはエッチング技術を用いて形成されえる。それぞれの予歪みされた部分８５および剛性化された部分８４は、例えばダイヤフラムアクチュエータにおいて用いられえる。このダイヤフラムアクチュエータは、剛性のある部分８４および電極８８で覆われた剛性のある部分８４内の穴に架かるポリマーを含む。それぞれの予歪みされた部分８３および剛性化された部分８２は、例えば伸長されたフィルムアクチュエータにおいて用いられえる（図２Ｄ）。予歪みされた部分８６ｂは、巻かれた電気活性ポリマーアクチュエータ、発電機またはセンサにおいて用いられえる。予歪みされた部分８６ａは、リニアボウタイアクチュエータ（linear bowtie actuator）において用いられえる。それぞれの予歪みされた部分は、ポリマー８０から切り抜かれ、それぞれのポリマー部分についての個別の製造を進められえる。それぞれの予歪みされた部分をポリマーから分離することは、電極が追加される前または後に起こりえる。示されるように、電極８８は、それぞれの予歪みされた部分に追加されている。
【００７９】
電気活性ポリマー８０は異なる予歪みされた部分形状で示されるが、単一のポリマーについてそれぞれの予歪みされた部分は同じ形状を含みえることが理解されよう。この場合、非等方性予歪みは、ポリマー８０の全体およびその上にパターン付けされたそれぞれの部分に印加されえる。ある実施形態において、予歪みされた部分８３および予歪みされた部分８５は、それぞれの部分を剛性化するために少なくとも部分的に硬化されたポリマー成分をそれぞれ備える。硬化のあいだにマスクを適用することは、ポリマー８０上のそれぞれの部分について形状、サイズおよび剛性をそれからカスタマイズしえる（マスクは硬化エネルギーに対して選択的な透過性を含む）。他の実施形態において、電気活性ポリマー８０は、コンプライアンスを有する電気活性ポリマーフィルムおよびそのコンプライアンスを有する電気活性ポリマーフィルム内にまたはその上に形成された支持ポリマーを備える。この場合、ポリマーの異なる部分に適用され、ポリマー内に拡散することを許された支持ポリマーの量は、部分についての剛性または予歪みレベルを制御するために変化させられる。例えば、予歪み部分８５は、予歪み部分８３よりも支持ポリマーのより高い濃度を備えうる。
【００８０】
図３Ａは、本発明のある実施形態によって電気的および機械的の間で変換する電気活性ポリマートランスデューサ１００を示す。トランスデューサ１００は、ポリマー１０２、電極１０４および１０６および支持レイヤ１０８を備える。電気活性ポリマー１０２は、電極１０４および１０６と電気的に導電性の連通にあり、予歪みされた部分１１０を含む。
【００８１】
支持レイヤ１０８は、電気活性ポリマー１０２の表面部分１０９に結合され、部分１１０において予歪みを維持するよう構成される。支持レイヤ１０８は、予歪みされた部分１１０における予歪みを保持および維持する構造的要素として働く。より具体的には、支持レイヤ１０８は、伸長された予歪み部分１１０における弾性圧縮力に反対する力を提供する。支持レイヤは、電気活性ポリマー１０２の撓みで撓むようにも構成される。よって、支持レイヤ１０８が部分１１０において予歪みを維持するための適切な剛性を含む一方、支持レイヤ１０８は、アクチュエーションまたはポリマー１０２の他の撓みに従うのに充分なコンプライアンスを有する。
【００８２】
支持レイヤ１０８についての剛性は、結合されたレイヤ１０８およびポリマー１０２についての総剛性を達成するよう選ばれえる。ある実施形態において、結合されたレイヤ１０８およびポリマー１０２は、約１０ＭＰａより小さい弾性係数を備える。支持レイヤ１０８についての剛性は、ポリマー１０２についての剛性に一致するよう調整されえる。支持レイヤ１０８によって提供される剛性は、支持レイヤ１０８の弾性係数およびレイヤ１０８の厚さに依存することが理解されよう。ある実施形態においては、支持レイヤ１０８は、ポリマー１０２よりより大きい剛性を備える。具体的な実施形態においては、支持レイヤ１０８は、約５０ＭＰａより大きい弾性係数を備える。この場合、レイヤ１０８の厚さは、電気的入力に対して増された撓みが望ましいときは低減されえる。他の実施形態において、支持レイヤ１０８は、電気的に誘起された歪みを増すために比較的柔らかく、約１０ＭＰａより小さい弾性係数を備える。
【００８３】
表面部分１０９は、支持レイヤ１０８に接触するポリマー１０２の表面上の領域を表す。示されるように、支持レイヤ１０８は、予歪み部分１１０と重なる。支持レイヤ１０８および予歪み部分１１０間での重なりは、支持レイヤ１０８および部分１１０の間のポリマー１０８の表面上の少なくとも部分的な交差を表す。典型的には、これは、表面領域の視点から捉えられ、支持レイヤ１０８および部分１１０の両方が可視であることはないかもしれないことが理解されよう。支持レイヤ１０８は電極１０４とも重なる。ある実施形態において、支持レイヤ１０８は、電極１０４を超えて延び、電極１０４の外のポリマーに取り付けられる（またはポリマー上の複数のアクティブ領域に対応する他の電極と重なる）。具体的な実施形態において、支持レイヤ１０８は、ポリマー部分またはそれが覆う電極の形状に類似する。ポリマー部分および電気活性ポリマートランスデューサの電極は、幾何学的形状のようなカスタム形状を含みえるので、表面部分１０９はよってポリマー部分または電極の表面形状に一致する幾何学的形状に類似しえる。
【００８４】
支持レイヤ１０８およびポリマー１０２の表面の間の結合は、積層、貼り合わせられる材料に基づく適切な接着剤を用いた取り付け、接着レイヤのような中間レイヤを通した取り付けなどを備えうる。積層は、貼り合わせられる２つの材料によって決定される２つの表面間の任意の適切な化学接着を備えうる。ある実施形態において、支持レイヤ１０８は、それらの間の積層を促進するためにポリマー１０２と同じ材料を備える。この場合、支持レイヤ１０８は、伸長された予歪み部分１１０における弾性圧縮力を少なくとも均衡するか、それを克服する異なる応力においてポリマー１０２上に配置される。
【００８５】
ある実施形態において、支持レイヤ１０８は、電気活性ポリマーのそれよりも小さい電気的抵抗を備える。この抵抗は、印加のための妥当な充電時間を達成するために充分に低くありえ、寄生リーケージ（例えば空気を通して）の存在下で充分に導電性である。この場合、支持レイヤ１０８は、トランスデューサの電極として構成されえる。
【００８６】
図３Ｂは、本発明の他の実施形態による直線撓みを提供する伸長されたフィルムアクチュエータ２７０を示す。伸長されたフィルムアクチュエータ２７０は、穴２７２を有する剛性化されたポリマーフレーム部分２７１を含む。剛性化されたポリマーフレーム部分２７１は、引っ張り状態にあり、穴２７２に架かる予歪みされたポリマー部分２７３について予歪みを維持する。堅固なバー２７４は、ポリマー部分２７３の中央領域に取り付けられ、ポリマー部分２７３の撓みに対応する外部変位を提供する。コンプライアンスを有する電極ペア２７５および２７６は、堅固なバー２７４のそれぞれ左および右側上でポリマー部分２７３の上部および底部表面上でパターン付けされる。電極ペア２７５がアクチュエートされるとき、電極ペア２７５についてのアクティブ領域が伸長し堅固なバー２７４は右に動く。逆に、電極ペア２７６がアクチュエートされるとき、電極ペア２７６についてのアクティブ領域が伸長し堅固なバー２７４は左に動く。電極２７５および２７６の交互のアクチュエーションは、堅固なバー２７４についての実効的により大きな総ストロークを提供する。このアクチュエータのあるバリエーションは、ポリマー２７３に非等方性予歪みを追加することによって、ポリマー部分２７３が高い予歪み（および剛性）を堅固なバーの変位に直角な方向に有するようにすることを含む。他のバリエーションは、電極ペア２７５および２７６のうちの１つをなくすことである。
【００８７】
他の実施形態において、電気活性ポリマーの部分は、撓みの方向に影響を与えるように剛性化される。図３Ｃは、本発明のある実施形態によって撓みに影響を与える剛性のあるセグメント１２２を備える電気活性ポリマートランスデューサ１２０を示す。
【００８８】
剛性のあるセグメント１２２は、ポリマー１２４上に構成された積層またはポリマー１２４の剛性化された部分を備え、一方、このポリマーは、予歪み状態にあり、例えばそれは伸長されている。予歪みされた部分１２６は、セグメント１２２の間に形成される。剛性のあるセグメント１２２は、主方向１２３によって特徴付けられ、主方向１２３において予歪みされた部分の撓みを減らす。剛性物１２２は、方向１２３においてセグメント１２２の軸に沿った部分１２６についての予歪みも維持する。加えて、剛性物１２２は、直交方向１２５においてだけ撓みを許す。方向１２３において増された剛性は、セグメント１２２によって提供される増された剛性と共に、予歪みされた方向１２３におけるポリマーの増された剛性を備える。
【００８９】
示されるように、多くの剛性のあるセグメント１２２が平行に構成され、方向１２５において増された累積出力を可能にする。剛性のあるセグメント１２２は、例えば半径方向のセグメントのような、トランスデューサ１２０の方向性コンプライアンスを達成するために他の構成においても構成されえる。剛性のあるセグメント１２２は、ポリマー１２４の剛性化された部分または剛性のあるセグメント１２２が示されるように構成される１つ以上の積層物を用いて獲得されえる。
【００９０】
デュアル硬化予歪み製造
予歪みポリマーは、幅広いアクチュエータ設計において、幅広い材料を用いて、幅広い応用例において微視および巨視スケールの両方で実現されえるので、本発明と共に用いられる製造プロセスは非常に大きく変わりえる。ある局面において、本発明は、電気活性ポリマーおよび１つ以上の予歪みされたポリマーを含む電気活性ポリマートランスデューサおよびデバイスを製造する方法を提供する。
【００９１】
ある実施形態において、本発明は、部分的に硬化された電気活性ポリマーに予歪みを印加する。部分的に硬化されたポリマーは、予歪みを支持および保持するためにそれからさらに硬化される。この技術は、電気活性ポリマーが１つ以上の反応性基を備え、硬化がポリマー鎖の架橋を生じえ、予歪みを支持を提供するときには有用である。
【００９２】
図４は、本発明のある実施形態による電気活性ポリマーを形成するデュアル硬化プロセスフロー４００を示す。本発明によるプロセスは、本発明をぼかさないためにここで記載または図示されないいくつかの追加ステップを含みえる。場合によっては、本発明の製造プロセスは、マイクロエレクトロニクスの製造および電子工学技術において用いられる商業的に入手可能なポリマーおよび技術のような従来の材料および技術を含みえる。加えて、ここで記載される電気活性ポリマーを採用したデバイスの製造は、本発明をぼかさないためにここで記載または図示されないいくつかの追加ステップを含みえる。例えば、マイクロダイヤフラムアクチュエータは、穴を形成しポリマーおよび電極を適用するために従来技術を用いてシリコン上でin situで製造されえる。
【００９３】
プロセスフロー４００は、部分的に硬化された電気活性ポリマーを形成するために、電気活性ポリマーのための前駆体を備える混合物を部分的に硬化させることによって始まる（４０２）。ある実施形態において、電気活性ポリマーは、ポリマーが硬化された電気活性ポリマーを弾性的に伸長するのに適する機械的完全性を備えるまで、部分的に硬化される。硬化は、例えば熱的に、写真化学的に、または放射によって実行されえる。熱的硬化は、化学的作用物質の追加なく、または適切な開始作用物質または１つ以上の追加硬化作用物質の追加によって採用されえる。熱的硬化は、例えば従来のオーブン内で実施されえる。電気活性ポリマー前駆体中の重合可能な基は、鎖成長重合化（chain-growth polymerization）（炭素−炭素の二重結合を含む化合物中におけるように）、開環重合化（エポキシ、テトラヒドロフラン、ラクトン、ラクタム、および脂環におけるもののような）、またはステップ成長重合化（ポリエステル、ポリアミド、ポリイミド、およびポリウレタンの形成におけるもののような）がなされえる。
【００９４】
部分的に硬化された電気活性ポリマーは、電気活性ポリマーについて予歪みを達成するためにそれから伸長される（４０４）。予歪みは、多くの技術によって達成されえる。ある実施形態においては、予歪みは、１つ以上の方向においてポリマーを機械的に伸長し、および伸長されるあいだに一時的にそれを１つ以上の固体部材（例えば堅固な板または製造フレーム）に固定することによって達成される。ポリマーは、代替として適切な堅固な基板を用いて、例えばポリマーを伸長し、それからそれを堅固な基板に取り付けることによって、一時的に予歪み状態に保持されえる。適切な非等方性および弾性予歪み特性は上に説明された。
【００９５】
プロセスフロー４００はそれから、電気活性ポリマーの一部をさらに硬化させることによって、その部分（ポリマー全体）を剛性化することによって進む（４０６）。硬化の後、剛性化された部分は、硬化されたポリマー成分を備え、一方、電気活性ポリマーはロックインつまり予歪みを維持するために歪みが与えられている。ポリマー成分は、電気活性ポリマーまたは後述のポリマー前駆体のような別個の添加剤を備えうる。他の実施形態において、電気活性ポリマーは、コンプライアンスを有する電気活性ポリマーフィルムおよびコンプライアンスを有する電気活性ポリマーフィルム内またはその上に形成された支持ポリマーを備える。支持ポリマーの硬化はその部分を剛性化する。第２硬化は、例えば、熱的に、写真化学的に、または照射によって実行されえる。電気活性ポリマー前駆体中の重合化可能な基（または部分的に形成／硬化されたポリマー鎖／網）は、さらに鎖成長重合化、開環重合化、またはステップ成長重合化をなされえる。さらに、既存のポリマー鎖は、硬化／剛性化を行うために架橋（または既存の架橋状態を超えてさらに架橋）されえる。一般に、剛性化された部分は、硬化されるときに（鎖成長または架橋によって）少なくとも部分的にその部分における電気活性ポリマー材料を剛性化する任意のポリマー前駆体を備えうる。
【００９６】
硬化メカニズムの使用は剛性を許し、およびポリマーの出力が増されるようにする。最大アクチュエート歪みは、剛性を増すことで減らしえ、しかしより高い力の出力は、多くの応用例で有用である。ある実施形態において、硬化された部分は、その部分がアクチュエーションのために採用されるとき、硬化後に約１０ＭＰａより小さい弾性係数を備える。このポリマーは、所望の剛性にも硬化されえ、予歪みフレームから開放された後の所望の厚さのような他の特性を得るように硬化もされえる。他の実施形態において、剛性化された部分は、ポリマーの隣接する部分において予歪みを維持するよう採用されるとき、さらに硬化される。例えば、剛性化された部分は、ポリマーの隣接する部分において予歪みを維持するよう採用されるときそれが約５０ＭＰａより上の弾性係数を備えるようさらに硬化されえる。
【００９７】
第２硬化は、電気活性ポリマーを紫外または赤外照射のような照射に曝すことを備えうる。マスクまたはスクリーンがポリマーの表面に適用されえ、それによって剛性化される部分の形状およびサイズを定義する。剛性化された部分は、予歪み部分を伸長することから生じる予歪み部分における圧縮力に抵抗する力を提供するようそれから空間的に構成されえる。いくつかのマスクは、ポリマーの複数の部分に差分照射露光を行い、よってポリマーの異なる部分がさまざまな程度まで硬化および剛性化さるようにする。具体的な実施形態においては、マスクは、電気活性ポリマーのエッジ部分への照射露光の量を減らす。これは、エッジ部分の厚さを増し、このエッジ部分におけるポリマーブレークダウン強度を増す（図３Ａについて上述の支持レイヤを用いて同様の効果が得られる）。
【００９８】
第２硬化が完了された後、電気活性ポリマーは、予歪みに一時的に固定する堅固なフレームまたは基板から解放される。イソプロピルアルコールのような解放する薬剤がレイヤ化された基板からの解放を促進するために用いられえる。
【００９９】
予歪みを持つ電気活性ポリマーの硬化および形成の後、１つ以上の電極がポリマーの表面上に堆積されえる。具体的な実施形態において、１つ以上のグラファイト電極がマスクまたはステンシルを用いてパターン付けされ、堆積される。導電性シリコーンと混合された導電性グリースを備える電極が、導電性グリースおよび未硬化導電性シリコーンを溶液中で溶かすことによって製造されえる。この溶液はそれから電気活性ポリマー材料上にスプレーされえ、特定の電極またはアクティブ領域パターンを達成するためにマスクまたはステンシルを含みえる。
【０１００】
それから予歪みされたポリマーおよび電極を備えるトランスデューサは、パッケージされえ、またはさらに応用例に従ってアセンブルされえる。パッケージングは、機械的に結合されたまたは複数のレイヤとしてスタックされた複数のトランスデューサのアセンブリを含みえる。加えて、トランスデューサへの機械的および電気的接続が特定のデバイス設計に従って形成されえる。
【０１０１】
支持レイヤ結合を介した予歪み維持
他の局面において、本発明は、電気活性ポリマーの一部において予歪みを維持するポリマーに結合された支持レイヤを備える電気活性ポリマーを製造する方法に関する。
【０１０２】
図５は、本発明のある実施形態によって電気活性ポリマー形成する支持レイヤ結合プロセス５００を示す。本発明によるプロセスは、本発明をぼかさないためにここで記載または図示されないいくつかの追加ステップを含みえる。
【０１０３】
プロセスフロー５００は、ポリマーの一部に予歪みを達成するために電気活性ポリマーを伸長することによって始まる（５０２）。弾性予歪みを達成し一時的に維持するためにポリマーを伸長するいくつかの技術は、プロセスフロー４００の４０４について上述された。例えば、電気活性ポリマーは、１つ以上の方向において機械的に伸長されえ、伸長されているあいだ１つ以上の堅固な部材（例えば堅固な板または製造フレーム）に一時的に固定される。
【０１０４】
予歪みを印加する前に、電気活性ポリマーがいくつかの方法に従って受け取られえ、または製造されえる。ある実施形態においては、ポリマーは、商業的に入手可能なアクリルエラストマーフィルムのような商業的に入手可能な製品である。他の実施形態においては、このポリマーは、キャスティング、ディッピング、スピンコーティングまたはスプレーイングのうちの１つによって製造されるフィルムである。ポリマー製造のさらなる詳細はプロセスフロー７００の７０４について提供される。
【０１０５】
支持レイヤの適用の前に、１つ以上の電極がポリマーの表面上に堆積されえる。スプレーイングおよびマスクまたはステンシルを用いたパターニングのような電極を適用するために適切な技術は、上述された。
【０１０６】
プロセスフロー５００は、ポリマーが予歪みされているときに支持レイヤをポリマーの表面部分に結合することによって進む（５０４）。支持レイヤは、予歪みされた部分に重なり、少なくともその部分においては予歪みを維持する。支持レイヤは、ポリマー表面上に堆積された１つ以上の電極とも重なりえる。代替として、上述のように、支持レイヤは、電極として構成されえる。ある例示的支持レイヤは、図３Ａについて上述された。ある実施形態において、支持レイヤは、ポリマーについての弾性係数より大きい弾性係数を含む。支持レイヤは、ａ）結合のために表面部分上に堆積され、その上で硬化されえ、またはｂ）予め硬化されたフィルムとしてポリマー電極トランスデューサに適切な接着剤を用いて取り付けられえる。場合によっては、支持レイヤが自身に付着するのを防ぐためにタルクのような軽い粉が望ましい。具体的な実施形態において、支持レイヤは、積層を介してポリマーの表面部分に結合される弾性フィルムのようなポリマーを含む。
【０１０７】
支持レイヤを電気活性ポリマーに固定した後、それから積層は、一時的予歪みを印加するフレームまたはデバイスから解放される。積層をフレームから解放することは、支持レイヤが圧縮するようにさせる。場合によっては、電気活性ポリマー中の初期予歪みが低減しえる。
【０１０８】
プロセス５００についての具体的な実施形態において、１ｍｍ厚さのアクリル電気活性ポリマーは、面積で４００％×４００％に予歪みされる。予歪みされた領域は４”×４”である。７０％のイソプロピルアルコール中のカーボン微小繊維が電極としてポリマー上に塗布される。支持レイヤは、１１８シリコーンを２に対して１０センチストークのシリコーンオイル１を備える混合物２．８ｇを含む。支持レイヤを広げるのに役立つように０．７ｇのナフタも混合物に追加された。一時的な予歪み支持から解放されるとき、アクリル電気活性ポリマーフィルムは、面積予歪みにおいて約２００％×２００％に収縮した。製造されたポリマーは、線歪みで７０〜８０％にも高い歪みをアクチュエートし、これは予歪みなしの電気活性ポリマーによって達成されたものよりかなり上である。
【０１０９】
ポリマー部分を剛性化するための前駆体の硬化
他の実施形態において、本発明は、ポリマー前駆体を硬化させて、電気活性ポリマー中で予歪みを維持する。硬化可能なポリマー前駆体は、電気活性ポリマーシートまたはフィルムの表面に塗布され、フィルムをコーティング、フィルムに分散または拡散することを可能にされえる。添加剤はそれから硬化され、１つ以上のより剛性のある部分を形成する。場合によっては、硬化は「ロックイン」し、ポリマー鎖の架橋された網を形成することによって電気活性ポリマーフィルム中に予歪みを維持する。
【０１１０】
図６は、本発明のある実施形態によって電気活性ポリマーを形成するためのポリマー前駆体を採用するプロセスフロー６００を示す。本発明によるプロセスは、本発明をぼかさないためにここで記載または図示されないいくつかの追加ステップを含みえる。
【０１１１】
プロセスフロー６００は、ポリマー前駆体を電気活性ポリマーの一部（または全体、図２Ｂ参照）の表面に塗布することによって始まる（６０２）。電気活性ポリマーは、以前に受け取られえ、または上述のようにスピンコーティングのようないくつかの方法に従って製造されえる。ある実施形態において、ポリマー前駆体（例えば、適切な開始エージェントを持つアクリレート）は、電気活性ポリマーフィルムに塗布され、フィルムのバルク中に分散することが可能になる。ある実施形態において、ポリマー前駆体は、スプレーイング（しばしば希釈溶液から）または印刷によって電気活性ポリマーの表面の１つ以上の部分上に塗布される。ポリマー前駆体は、表面部分の正確な形状およびサイズのパターニング、ポリマーのエッジにおける局所的な強化などを可能にするために、シャドーマスキングまたは印刷を通して限定された領域に選択的にも塗布されえる。マスクを用いることは、一部の中の複数の部分が単一のステップで容易にパターン付けされることを可能にする。追加される前駆体の量は、一時的予歪みからポリマーが解放されるときの、部分中の予歪みの所望の量および／または圧縮の所望の量に従って変化する。
【０１１２】
ある実施形態において、ポリマー前駆体は、予歪みが望まれるポリマーの全ての表面に塗布される。他の実施形態において、ポリマー前駆体で処理された電気活性ポリマーの剛性化された部分は、ポリマーの他の部分における予歪みを保持する構造要素としてそれから働く（図２Ａの剛性のある領域を参照）。
【０１１３】
多くの実施形態において、それからポリマー前駆体は、ポリマー内に少なくとも部分的に拡散する。ポリマー中への不完全な拡散および分散は、多くの場合において適切であることが理解されよう。完全な浸透に満たないものについて、剛性のあるレイヤは、ポリマー中に形成されえ、これは多くの応用例において許容可能である。ポリマー内への拡散は、長い時間、例えば数時間にわたって続きえる。再び、いくつかの実施形態は、バイレイヤ構造（積層体に類似する）を形成するためには、前駆体をポリマーに単にコーティングし、後にそのコーティングを硬化させることを伴うが、下層のポリマー基板内へは大きく拡散させない。
【０１１４】
それからポリマーは、ポリマーの一部において予歪みを達成するために伸長される（６０４）。非等方性および／または弾性予歪みを達成し、一時的に維持するためにポリマーを伸長するいくつかの技術は、プロセスフロー４００の４０４について上述された。他の実施形態において、ポリマー前駆体は、電気活性ポリマーが予歪みされた後に表面上に塗布される。これは前駆体がポリマー中に浸透するのに必要とされる時間を低減しえる。
【０１１５】
プロセスフローは、ポリマー前駆体を前記部分を剛性化するために硬化することによって進む（６０６）。ポリマー前駆体は硬化されるとき、少なくとも部分的にその部分における電気活性ポリマー材料を硬化させる。ポリマー前駆体は、ディマー（すなわちそれぞれの分子が２つの重合化可能な基を含む）またはオリゴマーを備えうる。ポリマー前駆体の１つの適切なクラスはアクリレートを含む。アクリレート以外に多くの硬化可能な化合物が用いられえ、例えばメタクリレート、エポキシ、シリコーンなどが含まれる。必要な物理的剛性化を提供する任意の適切な剛性化エージェントが採用されえる。化学的な組成は支配的な要素ではない。
【０１１６】
硬化は、熱的、写真化学的などで実行されえる。電気活性ポリマー前駆体中の重合化可能な基は、鎖成長重合化、開環重合化、またはステップ成長重合化を例えばなされえる。プロセスフロー４００の４０６について上述のものと同様に、硬化は、電気活性ポリマーを照射に曝露させることを備えうる。マスクまたはスクリーンがポリマーの表面に適用されえ、硬化作用を定義しえる。ある種のマスクは照射による程度の異なる曝露をポリマーの複数の部分に行い、よってポリマーの異なる部分がさまざまな程度に硬化および剛性化されることを可能にする。
【０１１７】
ポリマー前駆体の量は、しばしば硬化の後のその部分の剛性に影響する。よって、より多いポリマー前駆体の量が第１部分よりも第２部分上に塗布されえる。
【０１１８】
硬化後、１つ以上の電極がポリマーの表面上に堆積されえる。表面は、剛性化されるべき部分（図２Ｂ参照）または剛性化されるべき部分によって境界が分けられる電気活性ポリマーの第２予歪み部分（図２Ａ参照）を含みえる。マスクまたはステンシルを用いてスプレーイングすることおよびパターニングすることのような電極を適用する適切な技術は上述された。積層もその後、一時的予歪みを印加するフレームまたはデバイスから解放される。
【０１１９】
プロセスフロー６００の具体的な実施形態において、１，６ヘキサンジオールダイアクリレート（３．２グラム）および過酸化ベンゾイル（０．３２グラム）が２０ｍｌのエチルアセテートと混合された。この溶液は、３００％×３００％の予歪みを持つVHB 4910アクリル電気活性ポリマー上にスプレーされた。ポリマーは、それから８０℃の真空オーブン中に５時間置かれた。この場合、ポリマー前駆体によって生じたポリマーフィルム中の架橋は、予歪みを支持するのに有効だった。しかしこの場合、ポリマーがより剛性を持つようになるにつれ、電圧印加のときのアクチュエートされた歪みは減る。
【０１２０】
他の具体的な実施形態において、６ヘキサンジオールダイアクリレート（２．０グラム）および過酸化ベンゾイル（０．２グラム）が４０ｍｌのエチルアセテートと混合された。この溶液は、４００％×４００％の予歪みを持つVHB 4910アクリル電気活性ポリマー上にスプレーされた。ポリマーフィルムは、それから７８℃の真空オーブン中に４時間置かれた。
【０１２１】
【表１】
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【０１２２】
予混合されたポリマー前駆体硬化
他の実施形態において、支持レイヤのための前駆体は、例えば薄膜へのポリマーの形成の前に、電気活性ポリマーのための前駆体と混合される。これは、エラストマーのような化学的に架橋されておらず、したがって溶解され支持ポリマー前駆体と共に混合されえる電気活性ポリマーのために有用である。
【０１２３】
図７は、本発明のある実施形態によって電気活性ポリマーを形成するための支持ポリマーのためのポリマー前駆体および電気活性ポリマーのための前駆体を備える混合物を採用するプロセスフロー７００を示す。本発明によるプロセスは、本発明をぼかさないためにここで記載または図示されないいくつかの追加ステップを含みえる。
【０１２４】
プロセスフロー７００は、電気活性ポリマーのための前駆体および支持レイヤのための前駆体を備える混合物を提供することによって始まる（７０２）。ポリマー前駆体の具体的な例は、上述された。未架橋電気活性ポリマーの具体的な例は、クラトン（シェルによるポリスチレンーポリブタジエンーポリスチレントライブロックコポリマー）および熱可塑性ポリウレタンを含む。
【０１２５】
それからこの混合物から電気活性ポリマーが形成される（７０４）。ある実施形態において、このポリマーは、キャスティング、ディッピング、スピンコーティングまたはスプレーイングのうちの１つによって製造されるフィルムである。スピンコーティングは典型的には堅固な基板上に混合物を塗布し、所望の厚さに回転させることを伴う。この混合物は、支持ポリマーのための前駆体、電気活性ポリマーのための前駆体および揮発性分散剤または溶剤を含みえる。分散剤の量、分散剤の揮発性、およびスピン速度は、所望のポリマーを作るために変更されえる。例として、ポリウレタンフィルムは、ポリウレタンおよびテトラヒドロフラン（ＴＨＦ）またはシクロヘキサノンの溶液においてスピンコートされえる。シリコン基板の場合、ポリマーは、アルミ付きプラスチックまたはシリコンカーバイド上にスピンコートされえる。アルミおよびシリコンカーバイドは、適切なエッチャントによってその後除去される犠牲レイヤを形成する。１マイクロメートル厚さの範囲の電気活性ポリマーフィルムがこのようにしてスピンコーティングによって作られえる。シリコーンのようなポリマーフィルムのスピンコーティングは、ポリメチルメタクリレートまたはテフロン（登録商標）のような滑らかな非固着プラスチック基板上でなされえる。ポリマーフィルムは、機械的に剥がすことによって、またはアルコールまたは他の適切な解放薬剤の補助によってそれから解放される。スピンコーティングは、１０〜７５０マイクロメートルの範囲のより厚いポリマーを製造するのにも適する。
【０１２６】
このポリマーはそれから伸長されてポリマーの一部で予歪みを達成する（７０６）。非等方性および／または弾性予歪みを達成し一時的に維持するためにポリマーを伸長するいくつかの技術は、プロセスフロー４００の４０４について上述された。
【０１２７】
それから前駆体は、支持ポリマーがポリマーの剛性化された部分中に支持ポリマーを形成するように硬化される（７０８）。硬化の後、電気活性ポリマーは、２つの要素を備えうる。すなわち下層にある電気活性ポリマーおよび追加物である。複合電気活性ポリマーはそれから、可撓性電気活性ポリマーシートまたはフィルム、および活性ポリマーシート内またはその上で形成され、剛性化された領域を定義するより堅固な保持ポリマーを備えうる。ポリマー前駆体は硬化されると少なくとも部分的にその部分の電気活性ポリマー材料を剛性化する。ある実施形態において、ポリマーは支持ポリマーと架橋する。硬化は、熱的に、写真化学的に、または照射などによって実行されえる。電気活性ポリマー前駆体中の重合化可能な基は、鎖成長重合化、開環重合化、またはステップ成長重合化を例えばなされえる。プロセスフロー４００の４０６について上述のものと同様に、硬化は、電気活性ポリマーを照射に曝露させることを備えうる。マスクまたはスクリーンがポリマーの表面に適用されえ、硬化作用を定義しえる。ある種のマスクは照射による程度の異なる曝露をポリマーの複数の部分に行い、よってポリマーの異なる部分がさまざまな程度に硬化および剛性化されることを可能にする。ポリマー前駆体の量は、しばしば硬化の後のその部分の剛性に影響する。よって、より多いポリマー前駆体の量が第１部分よりも第２部分上に塗布されえる。
【０１２８】
硬化されるときポリマー前駆体は、予歪みを予歪みされた部分において硬化後も少なくとも部分的に維持する。ある実施形態において、剛性化された部分は予歪みされた部分と重なる（図２Ｂ参照）。他の実施形態において、剛性化された部分は電気活性ポリマーの予歪みされた部分と隣接する（図２Ａ参照）。
【０１２９】
硬化された後、１つ以上の電極は、ポリマーのための１つ以上のアクティブ領域の製造に従ってポリマーの表面上に堆積されえる。このポリマーはまた、一時的予歪みを印加するフレームまたはデバイスからその後解放される。
【０１３０】
電気活性ポリマーを形成する前に電気活性ポリマーのための前駆体および支持ポリマーのための前駆体を混合することは、より統合された混合物ポリマーを提供する。混合物ポリマーを形成した後で、支持ポリマーは、電気活性ポリマー鎖の中で非常に均一に分散されえる。この高度に統合化された混合物電気活性ポリマーは、よりよい機械的安定性、予歪みのためのよりよい支持、およびより高いパフォーマンスを提供しえる。
【０１３１】
多機能性
電気活性ポリマーは、双方向で電気的エネルギーおよび機械的エネルギー間で変換しえる。よって、ここで説明されたトランスデューサは、電気的エネルギーを機械的エネルギーに変換するアクチュエータ、および／または機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換する発電機として用いられえる。電気活性ポリマートランスデューサの電気的特性を検出することは、センシング機能を可能にする。
【０１３２】
図１Ａおよび１Ｂは、トランスデューサ部１０が機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換するあるやり方を示すのに用いられえる。例えば、もしトランスデューサ部１０が外部力によって図１Ｂに示されるようにより薄く、より大きな面積の形状に機械的に伸長され、比較的小さい電圧差（図１Ｂの構成へフィルムをアクチュエートするのに必要な電圧より小さい）が電極１４および１６の間に印加されるなら、トランスデューサ部１０は、外部の力が取り除かれるとき、図１Ａのような形状に電極間で面積において収縮する。トランスデューサを伸長させることは、トランスデューサをその元の休止位置（典型的には例えば電極間で方向１８および２０によって定義される平面内で電極間のより大きい正味の面積になる）から撓ませることを指す。休止位置は、外部の電気的または機械的入力を有さず、ポリマー中で予歪みを備えうるトランスデューサ部１０の位置を指す。いったんトランスデューサ部１０が伸長されると、結果として生じる静電力が伸長の弾性復元力と平衡するのに不十分なように比較的小さい電圧差が提供される。トランスデューサ部１０はしたがって収縮し、それはより厚くなり、方向１８および２０（電極間での厚さに直交する）によって定義された平面内でより狭い平面領域を有する。ポリマー１２がより厚くなるとき、それは電極１４および１６およびそれらの対応する異極電荷を引き離し、よって電気的エネルギー、および電荷の電圧を上昇させる。さらに、電極１４および１６がより小さい面積で接触するとき、それぞれの電極内の同極電荷は圧縮し、電気的エネルギーおよび電荷の電圧を上昇させる。よって電極１４および１６上の異なる電荷では、図１Ｂに示される形状から図１Ａに示されるものへの収縮は、電荷の電気エネルギーを上げる。すなわち、機械的撓みが電気エネルギーに変わり、トランスデューサ部１０は発電機として働く。
【０１３３】
場合によっては、トランスデューサ部１０は、可変キャパシタとして電気的に記述されえる。図１Ｂに示されるものから図１Ａに示されるものへの形状変化に伴い、キャパシタンスは減少する。典型的には、電極１４および１６間の電圧差は、収縮によって上げられる。これは例えばもし追加の電荷が収縮プロセス中に電極１４および１６に加えられたり引かれたりしないなら、通常のケースである。電気エネルギーの増加Ｕは、式U = 0.5 Q2/Cによって表され、ここでＱは、正極上の正電荷の量であり、Ｃは、ポリマー１２およびその幾何学形状の固有誘電体特性に関する可変キャパシタンスである。もしＱが固定で、Ｃが減少するなら、電気エネルギーＵは増加する。この電気エネルギーおよび電圧の増加は、電極１４および１６と電気的に連通する適切なデバイスまたは電気回路において取り戻し、または用いられえる。加えて、トランスデューサ部１０は、ポリマーを撓ませ、機械エネルギーを与える機械入力に機械的に結合されえる。
【０１３４】
本発明の電気活性ポリマーは、センサとしても構成されえる。一般に、本発明の電気活性ポリマーセンサは、「パラメータ」および／またはパラメータの変化を検出する。このパラメータはふつう、歪み、変形、速度、位置、接触、加速度、振動、圧力、サイズなどのような対象物の物理的特性である。場合によっては、検出されるパラメータは物理的「イベント」に関連付けられる。検出される物理的イベントは、物理または化学特性の特定の値または状態の達成でありえる。電気活性ポリマーセンサは、検出されるパラメータの変化に応答して電気活性ポリマーの一部が撓むよう構成される。ポリマーの電気エネルギー状態および撓み状態は関連する。電気エネルギーの変化、または撓みから生じるアクティブ領域の電気インピーダンスの変化は、それから、アクティブ領域電極と電気的に通信する検出電子回路によって検出されえる。この変化は、ポリマーのキャパシタンス変化、ポリマーの抵抗変化、および／または電極の抵抗変化、またはこれらの組み合わせを構成しえる。電極と電気的に通信する電子回路は、電気的特性の変化を検出する。もし例えばトランスデューサのキャパシタンスまたは抵抗の変化が計測されるなら、電気エネルギーをトランスデューサに含まれる電極に印加し、電気的パラメータの変化を観測することになる。
【０１３５】
理解を容易にするために、本発明は、エネルギー変換の単一の方向に焦点をあてて主に説明され示されてきた。より具体的には、本発明は電気的エネルギーを機械的エネルギーに変換することに焦点をあてている。しかし、本発明の全ての図および説明において、ポリマーおよびデバイスは、電気的エネルギーおよび機械的エネルギーの間で双方向に変換しえることに注意することが重要である。よって、ここで説明された例示的トランスデューサは、発電機またはセンサと共に用いられえる。典型的には、本発明の発電機は、ポリマーの一部の撓みに応答して電界の変化を生むように構成されたポリマーを備える。電界の変化は、電界の向きにおけるポリマー寸法の変化と共に、電圧の変化を作り、よって電気的エネルギーの変化を生む。
【０１３６】
ここで用いられる語として、トランスデューサは、少なくとも２つの電極を持つ電気活性ポリマーを指す。電気活性ポリマーデバイスは、少なくとも１つの追加の機械的結合または要素を持つトランスデューサを指す。電気活性ポリマーアクチュエータは、何らかの形態の機械的出力を作るよう構成されたトランスデューサまたはデバイスを指す。電気活性ポリマー発電機は、電気的エネルギーを作るよう構成されたトランスデューサまたはデバイスを指す。そして電気活性ポリマーセンサは、特性またはイベントを検出するよう構成されたトランスデューサまたはデバイスを指す。
【０１３７】
よって、本発明のポリマーおよびトランスデューサは、電気的から機械的エネルギーへ変換するアクチュエータ、機械的から電気的エネルギーへ変換する発電機、ポリマーの機械的または電気的状態の変化を検出するセンサ、またはそれらの組み合わせとして用いられえる。機械的エネルギーは、電気的エネルギーが除去され、または電気的変化が検出されえるようにトランスデューサに印加されえる。機械的エネルギーを印加する、機械的エネルギーを除去する、およびトランスデューサからの電気的変化を検出する多くの方法が可能である。アクチュエーション、発電および検出デバイスは、なんらかの種類の条件付け電子回路を必要としえる。例えば、トランスデューサから電気的エネルギーを印加または除去するために少なくとも最低限の回路が必要とされる。さらに他の例としては、センシングするトランスデューサの電気的状態を検出するのに、さまざまな度合いの複雑さの回路が用いられえる。
【０１３８】
結論
本発明は、いくつかの好ましい実施形態について記載されてきたが、簡潔さのために省略された本発明の範囲に入る改変物、組み合わせ、および等価物が存在する。例として、本発明はいくつかのポリマー材料および幾何学的形状について記載されてきたが、本発明は、これら材料および幾何学的形状に限定されない。したがって本発明の範囲は添付の特許請求の範囲を参照して決定されるべきだと意図される。
【図面の簡単な説明】
【０１３９】
【図１Ａ】本発明のある実施形態による電圧の印加の前のトランスデューサの上部透視図である。
【図１Ｂ】本発明のある実施形態による電圧の印加の後のトランスデューサの上部透視図である。
【図１Ｃ】本発明のある実施形態による複数のアクティブ領域を備えるモノリシックトランスデューサを示す図である。
【図２Ａ】本発明のある実施形態による予歪みされた部分および剛性化された部分を備える電気活性ポリマーを示す図である。
【図２Ｂ】本発明のある実施形態による剛性化された部分に対応する予歪みされた部分を備える電気活性ポリマーを示す図である。
【図２Ｃ】本発明のある実施形態による単一のポリマー上にパターン付けされた複数の剛性化された領域を備える電気活性ポリマーを示す図である。
【図３Ａ】本発明のある実施形態による電気的および機械的エネルギー間で変換する電気活性ポリマートランスデューサを示す図である。
【図３Ｂ】本発明のある実施形態による伸長されたフィルムアクチュエータを示す図である。
【図３Ｃ】本発明の具体的な実施形態による撓みに影響を与える直線セグメントを備える電気活性ポリマートランスデューサを示す図である。
【図４】本発明のある実施形態による電気活性ポリマーを形成するデュアル硬化プロセスフローの図である。
【図５】本発明のある実施形態による電気活性ポリマーを形成する支持レイヤ結合プロセスフローの図である。
【図６】本発明のある実施形態による電気活性ポリマーを形成するポリマー前駆体を採用するプロセスフローの図である。
【図７】本発明のある実施形態による電気活性ポリマーを形成する、支持ポリマーのためのポリマー前駆体および電気活性ポリマーのための前駆体を備える混合物を採用するプロセスフローの図である。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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